Godot 城市模拟 – 005 OpenStreetMap 介绍：数据结构与详细示例

本文最后更新于17 天前

什么是 OpenStreetMap？

OpenStreetMap（简称 OSM）是一个开源、协作的全球地图项目，旨在创建一个由志愿者共同编辑和维护的免费地理数据库。与商业地图服务（如 Google Maps）不同，OSM 的数据开放给所有人使用、修改和分发，遵循开放数据许可证（如 ODbL）。OSM 的核心在于其社区驱动的方式：用户通过 GPS 设备、航空影像或本地知识收集数据，并上传到中央数据库。这些数据可用于制作地图、导航应用、地理分析等。

OSM 的数据以简单的、基于 XML 的格式存储，主要围绕三种基本对象：节点（Node）、路径（Way） 和 关系（Relation），并通过标签（Tag） 添加属性。这种结构使得 OSM 数据轻量、灵活且易于扩展。下面，我们将逐步深入探讨 OSM 的数据结构，并通过一个详细示例来理解其工作原理。

OSM 数据结构概述

OSM 数据模型基于以下核心元素：

节点（Node）：代表地图上的一个点，用经纬度坐标定义。例如，一个路灯或建筑物角落。
路径（Way）：由有序的节点序列组成的线或面。例如，一条道路（线）或一个公园边界（面）。
关系（Relation）：用于分组或关联多个对象（节点、路径或其他关系）。例如，一个公交路线（包含多个路径）或一个行政边界。
标签（Tag）：键值对（key-value pairs），附加到节点、路径或关系上，用于描述属性（如名称、类型等）。

所有元素都有通用属性，如 id（唯一标识符）、version（编辑版本）、timestamp（最后修改时间）和 changeset（关联的修改集）。数据通常以 XML 或 PBF（Protocolbuffer Binary Format）格式存储。接下来，我们通过一个示例来一步步解析 OSM 数据结构。

一步一步了解 OpenStreetMap 示例

以下是一个典型的 OSM XML 数据片段，包含了一个边界定义、一个节点、一个路径和一个关系。我们将逐部分拆解，并解释每个元素的作用。示例基于用户提供的真实数据，但已简化以确保清晰性。

<?xml version='1.0' encoding='UTF-8'?>
<osm version="0.6" generator="osmium/1.14.0">
  <!-- 示例数据将在这里展开 -->
</osm>

步骤 1: 理解整体结构

根元素表示 OSM 数据文档，属性 version="0.6" 指定 OSM API 版本，generator 说明生成工具（如 Osmium）。
数据包含在内，包括、、和子元素。

步骤 2: 边界定义（Bounds）

边界元素定义了数据的经纬度范围，用于优化地图渲染或查询。

<bounds minlat="38.45043" minlon="-75.78974" maxlat="40.03221" maxlon="-74.96121"/>

解释：这个边界框覆盖了美国特拉华州附近区域，最小纬度 38.45043、最小经度 -75.78974，最大纬度 40.03221、最大经度 -74.96121。它帮助应用程序快速定位数据，但不是必须的。

步骤 3: 节点（Node）

节点是 OSM 的基本点元素。以下示例表示一个测量点（survey point）。

<node id="75390099" version="11" timestamp="2023-01-22T00:03:05Z" lat="39.7221284" lon="-75.7886029">
  <tag k="description" v="Lat-Long (NAD27) N39°43'26.3" W75°47'19.9" UTM (NAD27) 18S 432415 4397212 UTM (WGS84) 18S 432391 4397420"/>
  <tag k="man_made" v="survey_point"/>
  <tag k="name" v="Tri-State Marker"/>
</node>

属性解释：
- id="75390099"：节点的唯一 ID。
- version="11"：该节点已被编辑 11 次，版本号用于冲突解决。
- timestamp="2023-01-22T00:03:05Z"：最后修改时间（UTC）。
- lat="39.7221284" lon="-75.7886029"：经纬度坐标，定义点的位置。
标签解释（使用子元素）：
- k="description"：键为 “description”，值提供详细的坐标描述。
- k="man_made" v="survey_point"：表示这是一个测量点。
- k="name" v="Tri-State Marker"：名称为“Tri-State Marker”，可能标记州界。
作用：这个节点代表一个具体的地理点，标签添加了语义信息，使数据可查询（如查找所有测量点）。

步骤 4: 路径（Way）

路径由节点序列组成，可以表示线（如道路）或面（如建筑）。以下示例是一个轨迹路径（highway=track）。

<way id="11749873" version="4" timestamp="2012-09-21T05:23:27Z">
  <nd ref="105203702"/>
  <nd ref="105203705"/>
  <tag k="highway" v="track"/>
</way>

属性解释：与节点类似，id、version 和 timestamp 表示元数据。
节点引用（子元素）：
- ref="105203702" 和 ref="105203705"：引用两个节点的 ID，定义路径的起点和终点。路径由这些节点按顺序连接而成。
标签解释：
- k="highway" v="track"：表示这是一条未铺装的道路或小径。
作用：路径用于线性特征。如果节点序列形成闭合环（首尾节点相同），并可添加 area=yes 标签，则代表面（如多边形）。

步骤 5: 关系（Relation）

关系用于组合多个元素，表达复杂结构（如边界或路线）。以下示例是一个行政边界。

<relation id="117172" version="5" timestamp="2020-06-19T22:26:18Z">
  <member type="way" ref="33502448" role="outer"/>
  <member type="node" ref="157622606" role="admin_centre"/>
  <tag k="name" v="Townsend"/>
  <tag k="type" v="boundary"/>
  <tag k="boundary" v="administrative"/>
  <tag k="wikidata" v="Q755689"/>
  <tag k="wikipedia" v="en:Townsend, Delaware"/>
  <tag k="admin_level" v="8"/>
  <tag k="border_type" v="town"/>
</relation>

属性解释：id、version 和 timestamp 与其他元素一致。
成员（子元素）：
- type="way" ref="33502448" role="outer"：引用一个路径（ID 33502448），角色为“outer”，表示边界的外环。
- type="node" ref="157622606" role="admin_centre"：引用一个节点（ID 157622606），角色为“admin_centre”，表示行政中心。
标签解释：
- k="name" v="Townsend"：关系名称为“Townsend”（一个城镇）。
- k="type" v="boundary" 和 k="boundary" v="administrative"：定义这是一个行政边界。
- k="admin_level" v="8"：行政级别为 8（通常表示城镇级）。
- 其他标签如 wikidata 和 wikipedia 提供外部链接。
作用：关系将分散的元素组织起来，完整描述一个地理实体（如城镇边界及其中心点）。

完善数据样例及详细介绍

以下是一个更完整的 OSM 数据示例，模拟一个小型公园区域，包含多个节点、一个闭合路径（面）和一个关系。数据基于真实模式，但为教学目的简化。

<?xml version='1.0' encoding='UTF-8'?>
<osm version="0.6" generator="example">
  <!-- 边界定义：覆盖一个小区域 -->
  <bounds minlat="39.720" minlon="-75.790" maxlat="39.730" maxlon="-75.780"/>

  <!-- 节点1：公园入口点 -->
  <node id="1001" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z" lat="39.725" lon="-75.785">
    <tag k="entrance" v="yes"/>
    <tag k="name" v="Main Entrance"/>
  </node>

  <!-- 节点2-4：公园边界的角点 -->
  <node id="1002" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z" lat="39.725" lon="-75.782"/>
  <node id="1003" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z" lat="39.728" lon="-75.782"/>
  <node id="1004" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z" lat="39.728" lon="-75.785"/>

  <!-- 路径：表示公园边界（闭合面） -->
  <way id="2001" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z">
    <nd ref="1001"/> <!-- 起点/入口 -->
    <nd ref="1002"/>
    <nd ref="1003"/>
    <nd ref="1004"/>
    <nd ref="1001"/> <!-- 闭合回起点 -->
    <tag k="leisure" v="park"/>
    <tag k="name" v="Central Park"/>
    <tag k="area" v="yes"/> <!-- 标记为面 -->
  </way>

  <!-- 关系：将公园及其入口分组 -->
  <relation id="3001" version="1" timestamp="2023-01-01T10:00:00Z">
    <member type="way" ref="2001" role="outer"/>
    <member type="node" ref="1001" role="entrance"/>
    <tag k="type" v="multipolygon"/>
    <tag k="name" v="Central Park Area"/>
  </relation>
</osm>

样例详细解释：

整体结构：这个示例描述了一个名为“Central Park”的公园。数据包括边界、4个节点、1个路径和1个关系。
节点：
- 节点 1001：公园入口，标签 entrance=yes 和 name="Main Entrance" 指定其作用。
- 节点 1002-1004：匿名节点（无标签），仅用于定义边界坐标。
路径：
- 路径 2001 由节点 1001→1002→1003→1004→1001 顺序连接，形成闭合环。
- 标签 leisure=park 表示休闲公园，name="Central Park" 给出名称，area=yes 明确这是一个面（否则路径默认为线）。
关系：
- 关系 3001 将路径（角色 “outer”）和入口节点（角色 “entrance”）组合。
- 标签 type=multipolygon 表示这是一个复杂多边形关系，常用于处理有孔的区域。
用途：这种结构允许应用程序将公园视为一个整体对象（例如，点击公园时显示入口信息），展示了 OSM 数据的灵活性和丰富性。